民用飛機智能電源模塊設(shè)計與實現(xiàn)

楊啟帆 趙臘才 韓康

摘要：伴隨著我國民用飛機設(shè)計的不斷發(fā)展，各類機載設(shè)備中的電源模塊已不再是單一供電設(shè)備的代名詞，智能電源的出現(xiàn)使得電源的設(shè)計更為復雜、功能更為多樣。如何進一步提高對電源模塊的監(jiān)控變得越發(fā)突出。從智能電路設(shè)計研究出發(fā)，按照電路功能劃分，詳細描述了軟件架構(gòu)，同時運用自檢測技術(shù)（Built-In-Test，BIT）提升了智能電源的可控性和智能性。實際使用證明，該電源智能電路在智能配電軟件的控制下能夠良好地滿足智能監(jiān)控和控制功能，保障機載設(shè)備運行的安全。

關(guān)鍵詞：電源模塊；智能控制；自檢技術(shù)；微控制器；人機交互；民用飛機

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）17-0278-03

Abstract： With the continuous development of Civil Aircraft design in China， all kinds of power supply module in airborne equipment is no longer a synonym for power supply equipment， the emergence of intelligent power makes the design more complex and more various. How to make the monitoring of power supply module becomes more prominent. From the research of intelligent circuit design， according to the circuit function division， the software architecture is introduced in detail， and the BIT technology is applied to improve the controllability and intelligence of intelligent power. Actual use indicate that，under the control of intelligent power distribution software， the intelligent circuit satisfied the monitoring and control functions， and ensures the safety of airborne equipment.

Keywords： power supply module； intelligent control； BIT； microcontroller； human-computer interaction； civil aircraft

隨著我國某型飛機的首飛成功，機載電源模塊已不在單純完成對設(shè)備內(nèi)部提供符合標準的交直流電，智能化和數(shù)字控制等方面的設(shè)計對于機載電源越發(fā)重要，同時如何更好地監(jiān)控和維護電源已經(jīng)成為飛機設(shè)計者和制造商關(guān)注的重要問題之一，因此民用飛機智能電源的設(shè)計變得越發(fā)重要，相對于傳統(tǒng)電源系統(tǒng)，智能電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：1）便于控制和維護；2）功能的多樣性和擴展性；3）實現(xiàn)人機交互。

1 總體框架

該智能電源模塊需要向信息系統(tǒng)中的六種功能模塊提供獨立電壓輸出控制，并且監(jiān)控每路的輸出電壓、電流，同時對電源模塊的狀態(tài)進行監(jiān)控，支持系統(tǒng)的維護要求。

該智能電源采用單相115V、400Hz交流供電，經(jīng)過前端交流電路的處理，為后端提供6路12V的直流電壓以及3.3V和28V直流電壓。為了實現(xiàn)模塊智能控制功能，采用Atmel公司設(shè)計的ATmega128 MCU作為整個電源的控制核心，通過外圍電路的配合，采用軟件控制的方式實現(xiàn)電源模塊的檢測控制功能、信號處理功能、故障識別及處理功能和人機交互功能。整體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 智能部分硬件設(shè)計

2.1 開關(guān)控制電路設(shè)計

獨立控制供電是智能電源模塊的關(guān)鍵技術(shù)之一，當系統(tǒng)內(nèi)部某個模塊出現(xiàn)故障的時候，關(guān)閉該路電源輸出，可以有效地防止故障的擴散。采用傳統(tǒng)的功率開關(guān)和驅(qū)動電路組成的控制電路不僅控制精度不高，無法對細微的變化做出有效的控制，而且占用印制板面積較大，不利于電源模塊的小型化。因此，采取開關(guān)控制器硬件控制輸出配合MCU軟件控制輸出的方式，開關(guān)控制電路主要功能是對6路12V的智能供電控制、過壓過流保護。具體設(shè)計框圖如圖2所示：

本設(shè)計采用TI公司推出的TPS24720開關(guān)控制器，該控制器電壓范圍2.5V～18V，具有輸出使能、硬件過壓過流保護功能，滿足3.3V和12V電壓的開關(guān)控制，同時可調(diào)節(jié)電壓、電流門限，并且該芯片提供監(jiān)控電流采集點，精確地反映該通路上電流的大小。28V電壓的開關(guān)控制采用TI公司推出的TPS2492開關(guān)控制器。

2.2 監(jiān)控電路設(shè)計

監(jiān)控電路的功能是監(jiān)控開關(guān)控制器流過的電流以及輸出電壓，提供給ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸給MCU，通過MCU完成對各模擬量的監(jiān)控。

該監(jiān)控電路需要實現(xiàn)對直流電源12V、3.3V電壓和電流的監(jiān)控，以及28V電源電壓和電流的監(jiān)控，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）配合MCU的方式監(jiān)控電壓、電流值，并通過軟件控制開關(guān)控制器的輸出使能，本設(shè)計中共采用4片ADT7516和2片Si8902 ADC配合MCU完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和監(jiān)控。ADT7516是一款多功能四通道10-bit ADC，內(nèi)部集成溫度傳感器，最大轉(zhuǎn)換速率為22.5KHz，內(nèi)部有2.28V參考電壓；SI8902是一款隔離三通道10-bit ADC，轉(zhuǎn)換時間為2us，隔離率最大為5KV。具體電路如圖3所示：

MCU采用SPI總線完成對ADC的讀寫控制，通過MCU控制3-8譯碼器（74LVC138）完成對各ADC的片選，采用軟件查詢的方式對各通路電壓、電流的采集，完成對各通路狀態(tài)的監(jiān)控，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、邏輯比較，完成對各通路的開關(guān)控制。通過串口可以將采集的電壓、電流值實時顯示出來，供維護人員實時掌握電源模塊的工作狀態(tài)。

2.3 離散量電路設(shè)計

2.3.1 離散量輸入接口電路設(shè)計

機艙內(nèi)部輸入的地/開信號經(jīng)過離散量輸入接口電路輸入到MCU中，該電路不僅實現(xiàn)了輸入信號去抖動，消除了虛假抖動信號對模塊產(chǎn)生的虛假控制操作，而且實現(xiàn)外部輸入信號與內(nèi)部電路處理信號的電氣隔離，在實現(xiàn)原理簡單、可靠性高的基礎(chǔ)上，引入了外部離散量BIT測試，具體電路如圖4所示：

離散量開關(guān)連接的二極管防止外部高電平輸入對內(nèi)部電路的損壞。當外部離散量開關(guān)打開，即外部離散量接地，光耦導通，延遲器輸出為低電平；當外部離散量開關(guān)關(guān)斷，外部將信號上拉至28V，經(jīng)過電阻分壓和鉗位電路保證施密特觸發(fā)器輸入端電壓為3.3V，光耦不導通，延遲器輸入由電源3.3V上拉，因此輸出至GPIO管腳的電壓為高電平。

2.3.2 離散量BIT測試電路

MCU通過離散量BIT測試電路可以有效測試離散量通路的正確性，可以在電路調(diào)試過程中及時定位和發(fā)現(xiàn)問題，極大地減少了電路調(diào)試維護時間，具體電路如圖5所示：

由MCU的兩個GPIO管腳控制電路輸出離散量BIT信號，輸入到圖4離散量輸入接口電路中， MCU采集延遲器的輸出，從而可以回環(huán)測試離散量電路的正確性，由于兩個開關(guān)不能同時閉合，否則會產(chǎn)生短路，因此通過以上電路設(shè)計，即可以隔離外部輸入信號與內(nèi)部處理信號，同時又可以防止信號短路的發(fā)生。

3 智能配電軟件設(shè)計

3.1 需求分析

智能配電軟件是實現(xiàn)智能電源健康管理和智能控制的重要組成部分，主要負責對電源模塊輸出通路的通斷控制、BIT檢測、故障處理、數(shù)據(jù)存儲和上報、人機交互以及通過I2C接口實現(xiàn)電源模塊和外部功能模塊的信息交換。針對智能配電軟件的需求，可以分為4種工作模式，分別為初始化模式、正常工作模式、人機交互模式以及故障處理模式。

3.2 軟件構(gòu)架設(shè)計

嵌入式軟件開發(fā)以硬件電路為基礎(chǔ)，依托于驅(qū)動程序，實現(xiàn)頂層應(yīng)用開發(fā)，因此智能配電軟件采用分層化的方式進行軟件開發(fā)。其分層結(jié)構(gòu)圖如圖6所示：

初始化模式根據(jù)離散量的狀態(tài)進入不同的上電初始化內(nèi)容和工作模式，接著進行上電BIT檢測，完成MCU檢測、NVRAM檢測、RTC檢測、溫度檢測、中斷檢測、離散量檢測等。

正常工作模式下，在加電BIT檢測結(jié)果正確時，按照NVRAM中的工作構(gòu)型文件的加電順序及加電間隔，控制輸出支路的通斷，有效的解決各模塊間因初始化時間的差別帶來的影響。隨后進行周期BIT檢測。

故常處理模式下，根據(jù)BIT檢測結(jié)果進入不同的故障處理流程，根據(jù)需求涉及11種檢測。

人機交互模式主要是飛機在進行地面維護時提供給維護人員的操作界面，人機交互提供三級菜單，用戶可以通過菜單項選擇不同的控制操作，進行BIT檢測，并通過RS232接口實現(xiàn)工作、軟硬件構(gòu)型信息的顯示和更新。

3.3 智能監(jiān)控

智能監(jiān)控是智能配電軟件的核心功能之一，監(jiān)控程序為單任務(wù)周期運行方式，當?shù)谝淮紊想姇r，由于沒有進行人機交互模式中的工作構(gòu)型信息的更新，因此采用默認的加電順序、加電間隔以及3.3V、12V、28V電壓、電流預設(shè)門限進行監(jiān)控；在周期BIT中MCU分時對各通道開關(guān)控制器輸出端的電壓進行采集。當開關(guān)控制器流過的電流大于門限范圍時硬件自動切斷輸出；當采集到的電壓或者電流不滿足電壓、電流門限范圍時，由MCU軟件控制關(guān)斷相應(yīng)通路，通過軟硬件結(jié)合控制方式不但可以增強對供電模塊的保護，同時反應(yīng)速度較快，能夠及時監(jiān)控各電壓、電流實時采集值，完成相應(yīng)通路通斷控制。

3.4 BIT檢測

該電源模塊在軟硬件設(shè)計之初，充分地考慮到了BIT檢測，即依靠模塊或系統(tǒng)具備的電路和程序，監(jiān)控和檢測自身運行狀態(tài)，并對產(chǎn)生的故障進行診斷、隔離、記錄和控制。電源系統(tǒng)的BIT檢測技術(shù)主要包括硬件檢測、信號處理、故障識別和故障處理四個部分。智能配電軟件根據(jù)BIT執(zhí)行的階段的不同分為上電BIT、周期BIT和維護BIT三個部分。BIT檢測結(jié)果充分地反應(yīng)了當前電源模塊的狀態(tài)，BIT檢測是智能配電軟件的重要組成部分，貫穿于軟件的各種工作模式中。圖7清晰的表明BIT檢測和整體軟件流程圖之間的關(guān)系。

4 測試方法與分析

功能測試中，由1塊燒寫了智能配電軟件的電源模塊、1臺電源模塊調(diào)測臺、1塊文件服務(wù)器模塊、1臺文件服務(wù)器模塊調(diào)測臺以及2臺4通路電子負載裝置構(gòu)成。電源模塊調(diào)測臺通過RS232接口和PC機相連，電源模塊調(diào)測臺和文件服務(wù)器模塊調(diào)測臺通過I2C調(diào)測線纜相連，6路電子負載連接到電源模塊調(diào)測臺的6路12V輸出端口，配置電子負載各路額定電流為4A。測試內(nèi)容如下所示：

a. 采樣數(shù)據(jù)讀?。涸谌藱C交互模式下，溫度顯示45.2℃，各路電壓、電流值顯示均在指定范圍內(nèi)，誤差低于±2%；

b. 電流測試：在人機交互模式下，通過更改外部電子負載的額定電流值，各路電流值顯示均在指定范圍內(nèi)，誤差低于±2%；

c. 過流測試：在正常工作模式下，更改外部電子負載的額定電流值，使其超過智能配電軟件內(nèi)部配置的電流最大門限（5A）構(gòu)型信息，對應(yīng)通路輸出關(guān)斷正常；

d. 掉電恢復測試：在過流測試的基礎(chǔ)上，將額定電流值恢復正常，通過CBIT檢測，該通路恢復供電正常；

e. 故障信息存儲：在正常工作模式下，模擬電源模塊遇到的故障，比如過流故障，隨后重新上電，進入人機交互模式時，讀取NVRAM中故障記錄地址空間信息，正確的顯示過流錯誤代碼和相應(yīng)的時間信息。

測試結(jié)果顯示，通過智能配電軟件，智能電源模塊可以實時、迅速地掌握電源模塊的各種狀態(tài)信息，各通路的控制靈活準確，極大的方便定位和查找電源模塊出現(xiàn)的問題，并對故障能夠做到及時規(guī)避。

5 結(jié)束語

本文主要描述了一種基于MCU的電源模塊智能部分的軟硬件設(shè)計，并引入了BIT檢測設(shè)計，在詳細介紹智能硬件電路的基礎(chǔ)上，從軟件的架構(gòu)和控制流程出發(fā)，闡述了軟件的各功能模式。該電源模塊已經(jīng)圓滿地完成了某型飛機的首飛任務(wù)，工作穩(wěn)定可靠，為后續(xù)電源模塊智能控制的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)提供了一定的借鑒意義。

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